Sensori, componenti sempre più pervasisi

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I sensori convertono grandezze fisiche, come ad esempio calore, luce, magnetismo, pressione, temperatura, accelerazione in segnali elettrici, che vengono elaborati da sistemi elettronici automatici per monitorare le variazioni di grandezze fisiche nel tempo.

Fig. 1A (sopra) – Sensore A4 di Tiny Node; Fig. 1B (sotto) – Sensore B4 di Tiny Node

I sensori possono essere di tipo industriale, ovvero legati alle tipiche attività manifatturiere e all’automazione di processo. Sono generalmente classificabili in sensori di posizione o dimensione, che consentono la misura di angolo, spostamento, distanza, inclinazione, posizione, presenza, prossimità; sensori di grandezze meccaniche e dinamiche (forza, accelerazione, inerzia, movimento, velocità, coppia, vibrazioni, peso…); sensori di temperatura, umidità e clima (pressione dell’aria, punto di rugiada, flusso di calore, umidità, pioggia, fumo, temperatura…); sensori di pressione, flusso, volume, portata e livello.

Esistono anche altre categorie di sensori, dedicati alla misura e rilevazione di altre tipologie di grandezze, applicate non solo in ambito industriale ma anche in altri numerosi settori, dal biomedicale all’ambientale al consumer: sensori per grandezze chimiche, biologiche, ambiente (qualità dell’aria, anidride carbonica, idrocarburi, idrogeno, metano, ossigeno…), sensori per visione e identificazione (telecamere, sensori di immagine, rilevamento di codice, di oggetti, identificazione, visione…), sensori per sistemi inerziali (accelerazione, giroscopi, sistemi inerziali, inclinometri, IMU, AHRS, INS e così via), sensori ottici e di radiazioni (colore, fluorescenza, luce, luminescenza, luminosità, radiazione, torbidità, UV, luce visibile…), sensori di grandezze elettriche e magnetiche (corrente elettrica, campo elettrico, campo magnetico, cos Phi, tensione…), sensori per grandezze acustiche (rumore, volume, microfono, risonanza, analisi del suono, ultrasuoni…), sensori per acquisizione dati (calibrazione, acquisizione, visualizzazione, amplificazione del segnale, condizionamento, trasmissione…), sensori per grandezze biologiche e del corpo umano (flusso di sangue, pressione arteriosa, temperatura corporea, frequenza cardiaca…).

I sensori possono essere basati su svariate tecnologie ed effetti, di tipo meccanico, ottico, induttivo, capacitivo, fotoelettrico, piezoelettrico, elettrochimico, a effetto di campo, doppler, elettromagnetico, Lvdt, termico e così via.

Fig. 2 – Misuratori di distanze Time Of Flight di Hamamatsu

Aree applicative e tendenze tecnologiche

Le aree di applicazione dei sensori sono innumerevoli: aeronautico, aerospaziale, agricoltura, allarme / sicurezza, ambiente, automazione, automobile, biomedico, climatizzazione, controllo di macchina, costruzione navale, elettrodomestici, elettronica di consumo, industria alimentare, industria chimica, industria meccanica, industria medicale, industria tessile, metallurgia, settore militare / difesa, nucleare, pesatura industriale, produzione di energia, tecnologia edilizia, trasporti.

Un settore innovativo che insieme al mondo IoT rappresenterà nei prossimi anni uno dei driver di crescita del mercato dei sensori è quello degli “indossabili” (wearable). Questi sensori, spesso funzionanti in accoppiamento con gli smartphone, coprono svariati ambiti di applicazione: fitness e benessere (smartwatch, monitor di attività sonno-veglia, contapassi, rilevatori di battito cardiaco…), salute (monitor cardiaci, rilevatori di livelli di glucosio, rilevatori di ossigeno, temperatura corporea, pressione sanguigna…), accessori di prossimità e antifurto (ad es. sensori che, applicati a bambini o animali, danno un allarme quando si allontanano oltre una certa distanza; portafogli e valigie “intelligenti” che segnalano allo smartphone del possessore che qualcuno le sta tentando di rubare…), sicurezza e tracciatura (es. sensori utilizzabili anche come dispositivi S.O.S. da bambini, donne o anziani per richiesta di assistenza).

Un altro settore applicativo interessante per i sensori è quello dell’industria automobilistica, dove la focalizzazione degli ultimi anni sulla sicurezza dei passeggeri, e l’emanazione di normative obbligatorie europee in tal senso, hanno aumentato sensibilmente la richiesta e l’installazione di sensori per il controllo della stabilità delle auto nei sistemi di trazione, nello chassis e nel corpo del veicolo, per i sistemi di guida assistita e la gestione delle auto ibride.
L’utilizzo di sensori connessi sta invece avendo un uso crescente in applicazioni di building automation, dal monitoraggio della salute e sicurezza degli individui, al controllo ambientale automatico legato alle specifiche di comfort impostate dagli utenti finali, al rilevamento di condizioni ambientali anomale.

Fig. 3 – La soluzione a batteria Sitrans F M MAG 8000 di Siemens

Mentre il concetto di sensore non rappresenta nulla di nuovo, la tecnologia realizzativa dei sensori sta attraversando una fase di rapida trasformazione in tre differenti direttrici: miniaturizzazione, intelligenza, mobilità.

Per quanto riguarda la miniaturizzazione, i rapidi avanzamenti in settori come le nanotecnologie e i sistemi micro elettromeccanici (MEMS) hanno portato a versioni ultra-compatte di sensori tradizionali (NMEMS, nano MEMS) e ispirato la creazione di sensori basati su principi completamente innovativi (ad esempio i sensori molecolari). La potenza elaborativa attualmente disponibile ha reso possibile creare sensori con un elevato grado di intelligenza incorporato, che oggi permette ad esempio di memorizzare ed elaborare i dati già all’interno del sensore per poi trasmettere solo quelli più rilevanti e critici. Infine, la veloce proliferazione delle tecnologie di comunicazione wireless, unita all’ottimizzazione dei consumi energetici, hanno consentito ai sensori letteralmente di “tagliare il guinzaglio”, e di poter inviare i dati da luoghi remoti o mentre sono in movimento.

I sensori wireless tipicamente operano per anni in condizioni ambientali severe e in luoghi privi di alimentazione elettrica, di possibilità di supporto tecnico, di connessioni a banda larga, di protezioni da escursioni termiche. Alcune tipologie di sensori, in particolare, come le Wsn (wireless sensor network) sono composti da numerosi nodi programmati per garantire un instradamento automatico e variabile delle informazioni nel caso in cui uno o più di essi vengano danneggiati. Un tema da non sottovalutare è la sicurezza dei dati gestiti dal sensore in fase di memorizzazione e trasmissione, che deve essere a un livello tale da mitigare rischi di accesso non autorizzato e adeguata conformità alle normative privacy.

Dal punto di vista delle previsioni di crescita del mercato, secondo un report di Allied Market Research, il mercato dei sensori rappresenta il segmento con tassi di crescita più elevati dell’intero comparto dei semiconduttori.

Per il mercato globale dei sensori si prevede un incremento con un tasso annuo composto di crescita (CAGR) dell’11,3% fino al 2022, quando si attesterà a un valore di circa 241 miliardi di dollari.

I principali driver che guideranno il mercato dei sensori nei prossimi anni comprendono le evoluzioni tecnologiche, i wearable, l’Internet of Things (in particolare domotica, smart city…) e una crescente domanda in alcuni settori verticali tra cui quelli dell’automazione, automobilistico e della salute.

Fig. 4 – Il posizionatore Sipart PS2 di Siemens

Alcuni esempi di applicazione

Tinynode, azienda svizzera parte di Paradox Engineering, è specializzata in sistemi wireless per il rilevamento di veicoli e la gestione dei parcheggi. I sensori A4 e B4 (Fig. 1A e 1B) rilevano i dati relativi alla presenza di un veicolo in un’area di sosta e li rendono disponibili al gestore del parcheggio che, attraverso una piattaforma di Smart Parking, può monitorare l’occupazione dei singoli stalli, la durata della sosta ed eventuali abusi (es. sosta oltre il tempo consentito, presenza di un mezzo pesante in uno stallo destinato alle automobili).

Il sensore A4 è progettato per essere installato sopra la superficie stradale, mentre il B4 deve essere affondato nel manto d’asfalto. Entrambi i dispositivi operano su frequenze 868 MHz, 915 MHz e 920 MHz, garantiscono un’affidabilità del dato superiore al 98% e hanno batterie con un’autonomia fino a 10 anni. Offrono un grado di protezione IP68 e possono resistere alle intemperie e specifiche sollecitazioni meccaniche, come ad esempio il lavaggio della strada o lo spazzamento della neve. Sono inoltre disponibili le versioni A4-H e B4-H per soluzioni di Smart Parking dedicate ai mezzi pesanti.

Recentemente è stata presentata la nuova generazione dei sensori A4 e B4 – nota come Series 4 second generation (S4-gen2) – che offre migliori prestazioni, maggiore stabilità e affidabilità. Questa innovativa tecnologia assicura infatti maggiore precisione nel rilevamento di auto e mezzi pesanti, nella trasmissione dei dati, nonché maggiore robustezza al prodotto.

Fig. 5 – Il trasmettitore di livello radar Siemens Sitrans LR250

Tra i diversi metodi per la misura delle distanze, stanno riscuotendo un interesse sempre maggiore quelli basati sulla misura del “Tempo Di Volo” (Time Of Flight – TOF). Le applicazioni tipiche di questi dispositivi di misura delle distanze ricadono principalmente nell’ ambito della sicurezza e del monitoraggio ambientale. I rivelatori ideali per queste applicazioni di “Range Finder” dovrebbero avere alta sensibilità, basso rumore, ampio range dinamico, elevata velocità di risposta ed essere utilizzabili in condizioni di forte luce ambiente.

In questo settore, Hamamatsu dispone di sensori optoelettronici ottimizzati per ogni necessità: i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) delle serie S12571 e S13190, caratterizzati da alta velocità e sensibilità, capaci di rilevare bassissimi livelli luminosi e di lavorare sulle lunghe distanze; i fotodiodi a valanga (APD) delle serie S12926 e S12508, anch’essi adatti alle lunghe distanze, garantiscono un elevato rapporto segnale/rumore e sono quindi capaci di lavorare in condizioni ambientali di luce intensa; i fotodiodi PIN serie S12158 che mostrano un range dinamico molto ampio e sono adatti per le brevi distanze; gli Hybrid Devices S13282-01Cr ed S13645-01CR che integrano un APD e un amplificatore a transimpedenza, capaci di ridurre notevolmente il rumore esterno e il PhotoIC S13021-01CT ottimizzato per le brevi distanze (fino a pochi centimetri). Hamamatsu fornisce anche le sorgenti luminose da accoppiare a questi rivelatori, come diodi laser e diodi laser impulsati.

Dal canto suo, Siemens propone invece una gamma completa di sensori che, integrandosi perfettamente con le soluzioni per l’automazione, permette un controllo avanzato e ottimale di qualsiasi processo industriale. L’ampio portfolio di strumentazione di processo Sitrans, caratterizzato da altissima precisione e assoluta affidabilità, si distingue in strumenti di misura, posizionatori, registratori e regolatori. La strumentazione di processo, che gioca un ruolo chiave per aumentare il rendimento degli impianti e per migliorare la produttività, comprende trasmettitori per gli impieghi più svariati, dalla misura di pressione, di temperatura, di portata fino alla misura di livello.

In particolare, con la soluzione a batteria Sitrans F M MAG 8000 (Fig. 3), Siemens risponde alle esigenze del telecontrollo tramite un modulo integrato di comunicazione wireless GSM/GPRS. Impiegando la tecnologia Quad Band, i dati sono memorizzati sul data logger locale per poi essere disponibili su supporto informatico PC, via email o su smartphone, via SMS. Concepito specialmente per applicazioni di misura remote e senza rete di alimentazione, come ad esempio nei settori dell’estrazione, della distribuzione, della contabilizzazione dei consumi e dell’irrigazione, il misuratore di portata d’acqua funzionante a batteria soddisfa i requisiti per il passaggio di responsabilità soggetto a obbligo fiscale, secondo le norme per i contatori dell’acqua MID e OIML R49. Sitrans F M MAG 8000 CT garantisce misure precise e una fatturazione accurata, con una durata accertata della batteria di circa 10 anni, oltre a fissare nuovi standard sulle prestazioni, sulla precisione e sui ridotti interventi di manutenzione.

Il posizionatore Sipart PS2 (Fig. 4), nella nuova versione disponibile in acciaio inox con tipo di protezione antideflagrante EExd IIC, è caratterizzato da numerose funzionalità, inclusa la diagnostica intelligente e comunica in via opzionale con Hart 7, Profibus PA 3.02 o Foundation Fieldbus ITK 6.0. In particolare, nella comunicazione attraverso Hart e Profibus è possibile rappresentare in maniera semplice e documentare i valori delle curve memorizzate, gli istogrammi o i dati di messa in servizio/esercizio per mezzo di Simatic PDM.

Per segnalare durante il funzionamento eventuali guasti che potrebbero risultare costosi, il posizionatore Siemens controlla attuatore e valvola in modo permanente. Sipart PS2 è dotato di funzioni di diagnostica complete di serie. Tra le nuove funzionalità, il Valve-Performance- Test permette di analizzare lo stato della valvola nel caso di un arresto dell’impianto pianificato; in caso di interruzione dell’energia ausiliaria invece, la funzionalità di Fail in Place permette di bloccare la valvola nell’ultima posizione mentre la funzionalità Fail Safe assicura che la valvola si muova nella posizione di sicurezza, rispettando i requisiti per l’impiego in circuiti di misura SIL2.

Il trasmettitore di livello radar Siemens Sitrans LR250 (Fig. 5) con antenna filettata PVDF (polivinilidene fluoruro) per il monitoraggio di liquidi e fanghi, è progettato per l’impiego in condizioni estreme in presenza di acidi, alcali e altre sostanze corrosive quali ipoclorito di sodio, idrossido di sodio, e acido solforico e idroclorico. Generalmente, queste applicazioni non sono adatte per l’acciaio inossidabile che necessita di trasmettitori progettati con materiali esotici e costosi. Tuttavia, le antenne filettate PVDF sono in grado di resistere anche in questi ambienti pur rimanendo una soluzione conveniente.

I materiali FDA compatibili rendono possibile il suo impiego anche nei settori: alimentare, chimico e del trattamento delle acque. Il Sitrans LR250 è un trasmettitore compatto di livello radar 2 fili a 25 GHz per il monitoraggio di materiali liquidi o fangosi con una range di 20 m (66 ft). È disponibile con i protocolli Hart, Profibus PA, o Foundation Fieldbus. Grazie all’interfaccia grafica per l’avviamento rapido (Quick Start Wizzard), il Sitrans LR250 è operativo in pochi minuti e il programmatore portatile a infrarossi supporta la programmazione locale.

Oltre alle funzioni complete di diagnostica che rispettano il Namur NE 43, il Sitrans LR250 ha anche raggiunto il livello di integrità della sicurezza SIL2 con una Safe Failure Fraction (SFF) del 86%, che lo rende adatto per l’impiego nei Safety Instrumented Systems (SIS). I campi chiave di applicazione per il Sitrans LR250 includono i grossi contenitori per lo stoccaggio liquidi, i serbatoi di processo con agitatori con presenza di vapori e basse costanti dielettriche.

I controllori di livello a ultrasuoni della serie Sitrans LUT400 con una precisione di misurazione di ±1 mm (0.04 inch), offrono il più elevato livello di accuratezza disponibile sul mercato e assicurano misurazioni altamente precise. I controllori di livello a ultrasuoni compatti per misure singole effettuano il controllo dei livelli nei materiali liquidi, solidi e fangosi in diversi settori industriali.

Sono disponibili in tre modelli: Sitrans LUT420 per il controllo di livello, Sitrans LUT430 per il controllo di livello, di volume, di pompe e di portata e Sitrans LUT440 per la misura di portata in canale aperto (che fornisce inoltre una suite completa di controlli di livello, di volume e di pompe). La serie è disponibile per una gamma di applicazioni, incluse quelle negli impianti per il trattamento delle acque e dei reflui, nei processi produttivi e nello stoccaggio industriale.

Con questi controllori, gli operatori possono essere sicuri del livello o della misurazione effettuata grazie agli algoritmi e ai filtri brevettati del Siemens LUT400. L’elevata accuratezza di questi controllori si vede nelle operazioni efficienti: il monitoraggio dell’inventario è sempre preciso, i processi sono controllati meglio e gli interventi di pulitura delle fuoriuscite possono essere evitati. Con le strategie di riduzione dei costi energetici che diventano sempre più importanti, i controllori Sitrans LUT400 consentono agli impianti per il trattamento delle acque e dei reflui di ridurre le spese energetiche grazie all’orologio a tempo reale e algoritmi per il risparmio energetico per la riduzione delle attivazioni delle pompe durante i periodi di picco.

La serie di controllori Sitrans LUT400 si distingue per un’interfaccia utente intuitiva. Possono essere programmati in meno di un minuto grazie al grafico Quick Start Wizards. Il display retroilluminato è facile da leggere in qualsiasi condizione di illuminazione. Sonic Intelligence, la tecnologia di elaborazione dell’eco di Siemens per i controllori di livello a ultrasuoni, misura continuamente e regola il livello di rumore e le condizioni del processo in continua evoluzione.

Tutti e tre i modelli sono compatibili con la linea completa di trasduttori Echomax di Siemens. Le capacità di datalogging del Sitrans LUT 400 consentono agli utenti di registrare e di rivedere i datalogs o di trasferirli sul computer. In aggiunta alla programmazione locale, i controllori supportano anche la configurazione da remoto e la diagnostica con il Simatic PDM (Process Device Manager), Emerson AMS, FC375/475 (quali PACTware) utilizzando Siemens DTM.

Silvano Iacobucci

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